DE69413504T2 - DEVICE AND METHOD FOR DOSE PLANNING IN RADIATION THERAPY - Google Patents
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Description
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Strahlentherapieanlage für die Behandlung von Tumoren oder dergleichen und genauer auf ein Strahlentherapie-Planungsverfahren zum Berechnen der notwendigen Strahlstärken in einem Therapiesystem zum Liefern mehrerer Strahlen bei unterschiedlichen Winkeln in einer Ebene, um die Strahlungsdosis in unregelmäßig geformten Zonen in dem Patienten genau zu regulieren.This invention relates generally to a radiotherapy system for the treatment of tumors or the like, and more particularly to a radiotherapy planning method for calculating the necessary beam intensities in a therapy system for delivering multiple beams at different angles in a plane to precisely regulate the radiation dose in irregularly shaped zones in the patient.
Eine medizinische Anlage für die Strahlentherapie behandelt Tumorgewebe mit hochenergetischer Strahlung. Um sicherzustellen, daß sowohl der Tumor genügend Strahlung empfängt, um zerstört zu werden, als auch, daß die Beschädigung des umgebenden und des angrenzenden Nicht- Tumor-Gewebes minimiert wird, müssen die Dosis und die Lage der Dosis genau gesteuert werden.A medical radiotherapy facility treats tumor tissue with high-energy radiation. To ensure that the tumor receives enough radiation to be destroyed, as well as to minimize damage to surrounding and adjacent non-tumor tissue, the dose and location of the dose must be precisely controlled.
Bei der Innenquellen-Strahlentherapie werden Kapseln radioaktiven Materials in der Nähe des Tumorgewebes in dem Patienten angeordnet. Die Dosis und die Lage werden durch die physikalische Positionierung des Isotops genau gesteuert. Die Innenquellen-Strahlentherapie besitzt jedoch die Nachteile irgendeines chirurgischen Eingriffsverfahrens einschließlich von Beschwerden für den Patienten und des Infektionsrisikos.In internal source radiotherapy, capsules of radioactive material are placed near the tumor tissue in the patient. The dose and location are precisely controlled by the physical positioning of the isotope. However, internal source radiotherapy has the disadvantages of any surgical procedure, including patient discomfort and the risk of infection.
Die Außenquellen-Strahlentherapie verwendet eine Strahlungsquelle, die dem Patienten gegenüber extern ist, typischerweise entweder ein Radioisotop wie etwa &sup6;&sup0;Co oder eine hochenergetische Röntgenstrahlungsquelle wie etwa einen Linearbeschleuniger. Die externe Quelle erzeugt einen in den Patienten zu der Tumorstelle gerichte ten gebündelten Strahl. Die Außenquellen-Strahlentherapie vermeidet einige Probleme der Innenquellen-Strahlentherapie, bestrahlt aber zusammen mit dem Tumorgewebe unerwünscht und notwendig ein bedeutendes Volumen Nicht- Tumor- oder gesunden Gewebes in dem Weg des Bestrahlungsstrahls.External source radiotherapy uses a radiation source that is external to the patient, typically either a radioisotope such as 60Co or a high-energy X-ray source such as a linear accelerator. The external source produces a beam of radiation directed into the patient toward the tumor site. External source radiotherapy avoids some of the problems of internal source radiotherapy, but undesirably and necessarily irradiates a significant volume of non-tumor or healthy tissue in the path of the radiation beam along with the tumor tissue.
Durch Projizieren des externen Bestrahlungsstrahls in den Patienten bei verschiedenen "Bühnen"-Winkeln, wobei die Strahlen an der Tumorstelle konvergieren, kann die nachteilige Auswirkung des Bestrahlens gesunden Gewebes reduziert werden, während in dem Tumorgewebe eine gegebene Strahlungsdosis aufrecht erhalten wird. Die besonderen Volumenelemente gesunden Gewebes längs des Weges des Bestrahlungsstrahls werden geändert, wobei sich die Gesamtdosis für jedes solche Element gesunden Gewebes während der Gesamtbehandlung reduziert.By projecting the external radiation beam into the patient at different "stage" angles, with the beams converging at the tumor site, the adverse effect of irradiating healthy tissue can be reduced while maintaining a given radiation dose in the tumor tissue. The particular volume elements of healthy tissue along the path of the radiation beam are changed, reducing the total dose for each such element of healthy tissue during the overall treatment.
Die Bestrahlung gesunden Gewebes kann außerdem durch enge Bündelung des Bestrahlungsstrahls auf den senkrecht zu der Achse des Bestrahlungsstrahls genommenen allgemeinen Querschnitt des Tumors reduziert werden. Für die Erzeugung einer solchen Umfangsbündelung existieren zahlreiche Systeme, von denen einige Mehrfachgleitverschlüsse verwenden, die stückweise eine strahlungsundurchlässige Maske beliebigen Umrisses erzeugen können.The irradiation of healthy tissue can also be reduced by narrowly focusing the radiation beam on the general cross-section of the tumor taken perpendicular to the axis of the radiation beam. Numerous systems exist for creating such circumferential focusing, some of which use multiple sliding closures that can piecemeal create a radiopaque mask of any shape.
Um zu ermöglichen, daß sich das behandelte Gebiet an einer anderen Stelle als am Drehungsmittelpunkt befindet, kann der Versatzwinkel des Bestrahlungsstrahls mit Bezug auf eine Radiuslinie zwischen der Strahlungsquelle und dem Drehungsmittelpunkt der Strahlungsquelle als Teil der Bündelung des Strahls an den Umriß des Tumors angepaßt werden. Gleichzeitig ermöglicht das Ändern des Versatzwinkels und der Breite des Bestrahlungsstrahls als eine Funktion des Bühnenwinkels, daß das Tumorgewebe in einer Ebene parallel zu dem genau auf das Ziel gerichteten Bestrahlungsstrahl einen unregelmäßigen Querschnitt besitzen kann. Die Breite und der Versatzwinkel des Bestrahlungsstrahls können durch die Verwendung eines Faltkollimators gesteuert werden.To allow the treated area to be located at a location other than the center of rotation, the offset angle of the radiation beam with respect to a radius line between the radiation source and the center of rotation of the radiation source can be adjusted to the outline of the tumor as part of the focusing of the beam. At the same time, changing the offset angle and the width of the radiation beam as a function of the stage angle allows the tumor tissue to be treated in a plane parallel to the irradiation beam aimed precisely at the target may have an irregular cross-section. The width and offset angle of the irradiation beam can be controlled by using a folding collimator.
Die Einstellung des Versatzwinkels, des Mittelpunkts und der Größe des Bestrahlungsstrahls bei verschiedenen Bühnenwinkeln ermöglicht einen beträchtlichen Spielraum beim Steuern der Dosis. Besonders wenn der Tumor konkav oder hochgradig unregelmäßig ist wird bei diesen Zugängen trotzdem immer noch eine beträchtliche Menge unerwünschter Dosis auf gesundes Gewebe übertragen.Adjusting the offset angle, center point and size of the radiation beam at different stage angles allows considerable latitude in controlling the dose. Particularly when the tumor is concave or highly irregular, these approaches still result in a significant amount of unwanted dose being transferred to healthy tissue.
In der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit der lfd. Nr. 07/865.521, eingereicht am 19. März 1992 und auf den gleichen Bevollmächtigten wie die vorliegende Erfindung übertragen, ist eine Strahlentherapiemaschine beschrieben, die eine stark reduzierte Bestrahlung gesunden Gewebes schafft. Bei dieser Strahlentherapiemaschine sind vor dem Eintreten des Strahls in den Patienten in dem Bestrahlungsstrahl eine Anzahl von Strahlungsdämpfungsblättern in einem Rahmen angebracht. Um einen gegebenen Einzelstrahl des Strahls zu sperren, werden die Blätter in einem geschlossenen Zustand in den Bestrahlungsstrahl eingeschoben, und um den ungehinderten Durchgang eines gegebenen Einzelstrahls des Strahls zu ermöglichen, werden die Blätter in einem offenen Zustand aus dem Bestrahlungsstrahl hinausgeschoben. Durch Steuern des Verhältnisses der in dem offenen und in dem geschlossenen Zustand verbrachten Zeit kann jeder Einzelstrahl über einen kontinuierlichen Intensitätsbereich gedämpft werden.In copending U.S. patent application Serial No. 07/865,521, filed March 19, 1992 and assigned to the same assignee as the present invention, a radiation therapy machine is described which provides greatly reduced radiation exposure to healthy tissue. In this radiation therapy machine, a number of radiation attenuation blades are mounted in a frame in the radiation beam prior to the beam entering the patient. To block a given single beam of the beam, the blades are inserted into the radiation beam in a closed state, and to allow unobstructed passage of a given single beam of the beam, the blades are inserted out of the radiation beam in an open state. By controlling the ratio of time spent in the open and closed states, each individual beam can be attenuated over a continuous range of intensity.
Diese Fähigkeit, nicht nur den Umriß der Strahlung, sondern die Intensität jedes einzelnen Einzelstrahls zu steuern, ermöglicht eine äußerst genaue Steuerung des Bestrahlungsvolumens.This ability to determine not only the outline of the radiation, but also the intensity of each individual beam enables extremely precise control of the irradiation volume.
Theoretisch kann die Strahlentherapiemaschine mit der richtigen Modulation jedes Einzelstrahls des Strahls während des Umlaufs des Strahls durch eine Reihe von Winkeln um den Patienten die Dosis sogar in konkaven oder in unregelmäßigen Zonen genau anordnen. Außerdem ist wesentlich, daß die Strahlung genau von Zonen, die strahlungsempfindliche Organe oder dergleichen enthalten, ausgeschlossen werden kann.Theoretically, with the correct modulation of each individual beam of the beam as it travels through a series of angles around the patient, the radiotherapy machine can precisely target the dose even in concave or irregular zones. It is also important that the radiation can be precisely excluded from zones containing radiation-sensitive organs or the like.
Derartige Dosisanordnungsverfahren erfordern, die durch irgendein Volumenelement des Patienten unter den vielen möglichen Einzelstrahlen der Bestrahlung bei verschiedenen Bühnenwinkeln empfangenen Dosis zuzuordnen. Diese, als ein Satz von Strahlintensitäten für jeden Einzelstrahl des Strahls und für jeden Bühnenwinkel des Strahls offenkundige Zuordnung wird als ein Behandlungssinogramm bezeichnet.Such dose mapping methods require mapping the dose received by any volume element of the patient among the many possible beams of radiation at different stage angles. This mapping, manifested as a set of beam intensities for each beam and for each stage angle of the beam, is referred to as a treatment sinogram.
Die gleichzeitig anhängige Anmeldung, auf die oben als Literaturhinweis verwiesen wurde, beschreibt ein Verfahren der Erzeugung eines Behandlungssinogramms unter Verwendung von Verfahren, die den Bildrekonstruktionsverfahren der Computertomographie ("CT") mit dem wichtigen Unterschied ähnlich sind, daß die CT-Bildrekonstruktion ein Bild des Patienten durch Messen der Dämpfungen mehrerer Einzelstrahlen durch den Patienten ableitet, während das Strahlentherapiesystem durch Vordämpfen eines Satzes von Bestrahlungsstrahlen bei den verschiedenen Winkeln um den Patienten ein "Dosisbild" auf den Patienten einprägt.The copending application referenced above describes a method of generating a treatment sinogram using techniques similar to the image reconstruction techniques of computed tomography ("CT") with the important difference that CT image reconstruction derives an image of the patient by measuring the attenuations of several individual beams through the patient, while the radiation therapy system imprints a "dose image" on the patient by pre-attenuating a set of radiation beams at the various angles around the patient.
Für die Rechenfähigkeiten der derzeitigen Computerhardware stellen die obenerwähnten Sinogrammerzeugungsverfahren eine Herausforderung dar.The above-mentioned sinogram generation methods pose a challenge to the computational capabilities of current computer hardware.
Die WO-A-91/18552 offenbart eine Strahlentherapievorrichtung, die mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Bestrahlungsstrahls versehen ist, der unter mehreren in einer Ebene liegenden Bühnenwinkeln auf einen Patienten gerichtet wird. Jeder Einzelstrahl des Strahls besitzt einen unabhängig einstellbaren Teilchenfluß, wobei ein Einzelstrahl einem Weg unter einem jeweiligen Bühnenwinkel folgt. Um eine optimale Dosiseffizienz zu bestimmen, werden dann Computersimulationsverfahren verwendet und die Einzelstrahlen auf der Grundlage der optimalen Dosiseffizienz gesteuert.WO-A-91/18552 discloses a radiotherapy device provided with a radiation source for generating a radiation beam directed at a patient at a plurality of in-plane stage angles. Each beam of the beam has an independently adjustable particle flux, with a beam following a path at a respective stage angle. Computer simulation techniques are then used to determine an optimal dose efficiency and the beams are controlled based on the optimal dose efficiency.
Um von dem Tumor nicht betroffene kritische Organe abzuschirmen, offenbart die EP-A-0556874 (die ein Dokument gemäß Art. 54/3 EPÜ ist) eine Strahlentherapievorrichtung, an der die Einzelstrahlen einstellbar sind, um unregelmäßige Bestrahlungsfelder zu erhalten. Die Soll- Gestalt des Feldes wird berechnet, wobei Blätter aus undurchlässigen Material angeordnet werden, um das Soll- Strahlungsfeld zu ergeben.In order to shield critical organs not affected by the tumor, EP-A-0556874 (which is a document pursuant to Art. 54/3 EPC) discloses a radiotherapy device on which the individual beams are adjustable to obtain irregular irradiation fields. The desired shape of the field is calculated, with sheets of opaque material being arranged to give the desired radiation field.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Strahlentherapievorrichtung geschaffen, die versehen ist mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Bestrahlungsstrahls, der unter mehreren in einer Bühnenebene liegenden Bühnenwinkeln auf ein Volumen eines Patienten gerichtet wird und mehrere in der Bühnenebene verteilte Einzelstrahlen enthält, wobei jeder Einzelstrahl einen unabhängig einstellbaren Teilchenfluß besitzt, wobei ein Einzelstrahl einem Weg unter einem einzigen Bühnenwinkel folgt, und mit einer Therapieplanungsvorrichtung für die Bestimmung des Teilchenflusses jedes Strahls, wobei die Therapieplanungsvorrichtung enthält:According to a first aspect of the present invention, there is provided a radiation therapy device comprising a radiation source for generating a radiation beam directed at a volume of a patient at a plurality of stage angles located in a stage plane and comprising a plurality of individual beams distributed in the stage plane, each individual beam having an independently adjustable particle flux, an individual beam following a path at a single stage angle, and a therapy planning device for determining the particle flux of each beam, the therapy planning device comprising:
einen elektronischen Computer, der seinerseits enthält:an electronic computer which in turn contains:
eine Einrichtung zum Empfangen eines Solldosis- Kennfeldes für eine Sollbestrahlungsdosis längs einer Scheibe durch das Volumen des Patienten;means for receiving a target dose map for a target irradiation dose along a slice through the patient's volume;
worin die Therapieplanungsvorrichtung ferner enthält:wherein the therapy planning device further contains:
eine Ladungsberechnungseinrichtung zum Berechnen einer Verteilung elektrischer Ladungen in der Scheibe, die ein dem Sollkennfeld entsprechendes Potentialenergiefeld erzeugen würde; unda charge calculation device for calculating a distribution of electrical charges in the disk, which would generate a potential energy field corresponding to the target characteristic field; and
eine Integrationseinrichtung zum Integrieren der Ladungen der Verteilung, die längs des Weges liegen, um den Teilchenfluß des Einzelstrahls unter dem Bühnenwinkel zu bestimmen.an integration device for integrating the charges of the distribution lying along the path to determine the particle flux of the single beam at the stage angle.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Strahlentherapieplanung für eine Strahlentherapievorrichtung mit einer Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Bestrahlungsstrahls geschaffen, der unter mehreren in einer Bühnenebene liegenden Bühnenwinkeln auf eine Scheibe eines Patienten gerichtet wird und mehrere in der Bühnenebene verteilte Einzelstrahlen enthält, wobei jeder Einzelstrahl einen unabhängig einstellbaren Teilchenfluß besitzt, wobei ein Einzelstrahl einem Weg durch die Scheibe unter einem Bühnenwinkel folgt, wobei das Verfahren enthält:According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of radiotherapy planning for a radiotherapy device having a radiation source for generating a radiation beam directed at a patient's slice at a plurality of stage angles located in a stage plane and comprising a plurality of individual beams distributed in the stage plane, each individual beam having an independently adjustable particle flux, an individual beam following a path through the slice at a stage angle, the method comprising:
(a) Eingeben eines Soll-Dosiskennfeldes längs einer Scheibe durch das Volumen des Patienten als gesetzte digitale Werte in einen elektronischen Computer (51), wobei die digitalen Werte eine Dosis ionisierender Strahlung, die für die Behandlung des Patienten notwendig ist, repräsentieren;(a) entering a target dose map along a slice through the patient's volume as set digital values into an electronic computer (51), the digital values representing a dose of ionizing radiation necessary for treating the patient;
dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner enthält:characterized in that the method further comprises :
(b) Berechnen einer Verteilung elektrischer Ladungen in der Scheibe, die ein dem Soll-Dosiskennfeld entsprechendes Potentialenergiefeld erzeugen würde; und(b) calculating a distribution of electrical charges in the disk that would produce a potential energy field corresponding to the target dose map; and
(c) Integrieren der Ladungen der Verteilung, die längs des Weges liegen, um den Teilchenfluß des Einzelstrahls unter dem Bühnenwinkel zu bestimmen.(c) Integrate the charges of the distribution lying along the path to determine the particle flux of the single beam at the stage angle.
Die vorliegende Erfindung schafft somit ein neues Verfahren zum Berechnen eines Behandlungssinogramms. Das Verfahren modelliert die Soll-Dosisverteilung in dem Patienten als ein elektrisches Potentialfeld und verwendet die Verfahren der Elektrostatik zum Zuordnen der durch Einzelstrahlen unter verschiedenen Winkeln beigetragenen Dosis. Dieses Verfahren kann eine verbesserte Recheneffizienz für die Erzeugung eines Behandlungssinogramms zur Strahlentherapie schaffen und eignet sich bei bestimmten Schritten zur Ausführung auf einem neuen und äußerst schnellen zu beschreibenden elektrostatischen Computer.The present invention thus provides a new method for calculating a treatment sinogram. The method models the target dose distribution in the patient as an electric potential field and uses the techniques of electrostatics to allocate the dose contributed by individual beams at different angles. This method can provide improved computational efficiency for the generation of a treatment sinogram for radiotherapy and is suitable for execution in certain steps on a new and extremely fast to write electrostatic computer.
Genauer empfängt ein elektronischer Computer Daten, die die durch die mehreren Einzelstrahlen der Strahlentherapiemaschine längs der Scheibe durch das Volumen des Patienten abzuscheidende Soll-Dosis angeben. Ein Ladungsrechner, der diese Soll-Dosis empfängt, berechnet die Verteilung elektrischer Ladungen in der Scheibe, die ein dem Soll-Dosiskennfeld entsprechendes Potentialenergiefeld erzeugen würde. Um die Intensität des Einzelstrahls längs jenes Weges zu bestimmen, integriert ein Integrator diese Ladungen einfach längs irgendeines Weges durch die Scheibe.More specifically, an electronic computer receives data indicating the target dose to be delivered by the multiple beams of the radiotherapy machine along the disk through the patient's volume. A charge calculator receiving this target dose calculates the distribution of electrical charges in the disk that would produce a potential energy field corresponding to the target dose map. To determine the intensity of the beam along that path, an integrator simply integrates these charges along any path through the disk.
Ein Ziel der Erfindung ist somit die Schaffung eines einfachen und schellen Verfahrens des Erzeugens eines Behandlungssinogramms aus einem Soll-Dosiskennfeld. Die Formulierung des Problems als ein elektrostatisches Problem gestattet, in der tatsächlichen Berechnung eine breite Vielzahl numerischer Verfahren anzuwenden, wobei sie potentiell eine verbesserte Leistung gegenüber Zugängen schafft, die auf Computertomographiekonzepten beruhen. In einer Ausführung kann der Ladungsrechner eine aus mehreren aneinander anschließbaren leitenden Elementen gebildete leitende Folie sein, die zunächst in wenigstens einem Dosisgebiet miteinander verbunden werden, um eine Ladung zu empfangen und nächstens getrennt werden, um die Ladung auf jedem isolierten Element zu messen. Die Integrationseinrichtung ist ein Digitalcomputer zum Empfangen der Ladungswerte in einer Matrix und zum Ausführen der erforderlichen Interpolation und Integration.One aim of the invention is therefore to provide a simple and rapid method of generating a treatment sinogram from a target dose map. Formulating the problem as an electrostatic problem allows a wide variety of numerical methods to be used in the actual calculation, potentially providing improved performance over approaches based on computed tomography concepts. In one embodiment, the charge calculator may be a conductive foil formed from a plurality of interconnectable conductive elements which are first connected together in at least one dose region to receive a charge and then separated to measure the charge on each isolated element. The integrator is a digital computer for receiving the charge values in a matrix and performing the required interpolation and integration.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist somit die Schaffung eines Verfahrens zum Erzeugen eines Behandlungssinogramms, das leicht an eine äußerst schnelle Analogcomputervorrichtung angepaßt werden kann. Die leitende Folie berechnet die Ladungsverteilung mit Ist-Ladungen auf einer im wesentlichen momentanen Grundlage. Jede Ladung berechnet ihre eigene Lage gleichzeitig mit anderen Ladungen in einer Weise, die einem massiv parallelen Digitalcomputer ähnlich, aber wesentlich schneller als dieser ist.Another object of the invention is thus to provide a method of generating a treatment sinogram that is easily adapted to a high speed analog computer device. The conductive foil calculates the charge distribution using actual charges on a substantially instantaneous basis. Each charge calculates its own location simultaneously with other charges in a manner similar to, but significantly faster than, a massively parallel digital computer.
Das Soll-Dosiskennfeld kann wenigstens zwei Zonen besitzen: Eine erste Tumorzone, die wenigstens eine Behandlungs-Strahlungsschwelle empfangen soll und eine zweite Organzone, die höchstens eine Toleranzstrahlungsschwelle empfangen soll. Der Ladungsrechner berechnet die Ladung, die das Potentialenergiefeld, das in jeder Zone einem Momentan-Dosiskennfeld (das anfangs gleich dem Soll- Dosiskennfeld ist) entspricht, erzeugen würde, während der Integrator längs eines gegebenen Weges durch die Scheibe integriert, um das Einzelstrahlgewicht längs jenes Weges zu bestimmen.The target dose map may have at least two zones: a first tumor zone that is to receive at least a treatment radiation threshold and a second organ zone that is to receive at most a tolerance radiation threshold. The charge calculator calculates the charge that the potential energy field corresponding to an instantaneous dose map (which is initially equal to the target dose map) in each zone would generate while the integrator is moving along a given path through the Disc integrated to determine the individual beam weight along that path.
Um ein Sinogramm von Teilchenflußwerten zu erzeugen, wird durch Wiederholen der Integration der Ladungen eine Einrichtung zum Bestimmen des Gewichts für viele Einzelstrahlen um verschiedene Winkel der Bühne geschaffen, wobei eine Einrichtung zum Nullsetzen irgendwelcher negativer Teilchenflußwerte in dem Sinogramm zum Erzeugen eines angepaßten Sinogramms geschaffen wird. Ein Dosisrechner, der dieses angepaßte Sinogramm empfängt, bestimmt die Ist-Dosis, die durch dieses angepaßte Sinogramm erzeugt würde. Das Momentan-Dosiskennfeld wird gemäß der Differenz zwischen der Soll-Dosis und der Ist-Dosis modifiziert. In einer Ausführung wird das Momentan-Dosiskennfeld für die nächste Iteration durch Subtrahieren der Differenz von dem Momentan-Dosiskennfeld modifiziert.To produce a sinogram of flux values, by repeating the integration of the charges, means are provided for determining the weight for many individual beams around different angles of the stage, means being provided for zeroing any negative flux values in the sinogram to produce an adjusted sinogram. A dose calculator, receiving this adjusted sinogram, determines the actual dose that would be produced by this adjusted sinogram. The instantaneous dose map is modified according to the difference between the target dose and the actual dose. In one embodiment, the instantaneous dose map is modified for the next iteration by subtracting the difference from the instantaneous dose map.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist daher zu gestatten, daß bestimmten Zonen Maximaldosisbeschränkungen zum Schutz strahlungsempfindlicher Organe zugeordnet werden. Diese auferlegten Beschränkungen können ein Anfangssinogramm mit negativen Einzelstrahlgewichten erzeugen, einer Bedingung, die physikalisch nicht realisierbar ist. Es ist jedoch ermittelt worden, daß eine iterative Korrektur des Momentan-Dosiskennfeldes auf der Grundlage einer Berechnung der Ist-Dosis mit auf Null abgeschnittenen negativen Einzelstrahlgewichten zum Erzeugen eines Sinogramms verwendet werden kann, das gegen die Soll-Dosis konvergiert.Another object of the invention is therefore to allow maximum dose limitations to be assigned to certain zones to protect radiation sensitive organs. These imposed limitations may produce an initial sinogram with negative single beam weights, a condition that is not physically feasible. However, it has been found that an iterative correction of the instantaneous dose map based on a calculation of the actual dose with negative single beam weights truncated to zero can be used to produce a sinogram that converges to the target dose.
Die vorstehenden und andere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor. In der Beschreibung wird Bezug auf die beigefügte Zeichnung genommen, die ein Teil hiervon bildet, und in der zur Veranschaulichung mehrere zweckmäßige Ausführungen der Erfindung gezeigt sind.The above and other objects and advantages of the invention will become apparent from the following description. In the description, reference is made to the accompanying drawings which form a part hereof, and in which For illustration purposes, several expedient embodiments of the invention are shown.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der in einer Strahlentherapiemaschine, die für das Verwirklichen der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann, verwendeten Kompensatorbaugruppe, die die Kompensatorblätter und deren zugeordnete Stellglieder zeigt;Fig. 1 is a perspective view of the compensator assembly used in a radiotherapy machine that can be used to practice the present invention, showing the compensator blades and their associated actuators;
Fig. 2 ist ein Querschnitt der Kompensatorbaugruppe aus Fig. 1 längs der Linie 2-2, der für einen Fächerbestrahlungsstrahl das trapezförmige Aussehen jedes Kompensatorblatts sowie die Führungsschienen zum Abstützen der Kompensatorblätter während deren Verschiebung zeigt;Fig. 2 is a cross-section of the compensator assembly of Fig. 1 taken along line 2-2, showing, for a fan beam, the trapezoidal appearance of each compensator blade and the guide rails for supporting the compensator blades during their translation;
Fig. 3 ist eine perspektivische Wegschnittsansicht eines Satzes von Führungsschienen und eines Blatts aus Fig. 2, die eine Einfassung zum Abstützen des Blatts in seiner vollständig geschlossenen Lage zeigt;Fig. 3 is a perspective cut-away view of a set of guide rails and a blade of Fig. 2, showing a collar for supporting the blade in its fully closed position;
Fig. 4 ist ein Blockschaltplan, der die Elemente einer Strahlentherapievorrichtung zeigt, die einen herkömmlichen CT-Abtaster und den Kompensator enthält und einen zum Steuern jenes Kompensator geeigneten Computer umfaßt;Fig. 4 is a block diagram showing the elements of a radiotherapy apparatus including a conventional CT scanner and the compensator and including a computer suitable for controlling that compensator;
Fig. 5 ist ein vereinfachter Aufriß eines Querschnitts des Patienten, der einen Tumor und ein benachbartes strahlungsempfindliches Organ mit mehreren Bestrahlungsstrahlen, die bei einem Voxel in dem Tumor konvergieren, zeigt;Fig. 5 is a simplified elevation of a cross-section of the patient showing a tumor and an adjacent radiosensitive organ with multiple radiation beams converging at a voxel in the tumor;
Fig. 6 ist ein geometrisches Diagramm, das die verschiedenen für die Berechnung der Einzelstrahlgewichte relevanten räumlichen Variablen zeigt;Fig. 6 is a geometric diagram showing the various spatial variables relevant for the calculation of the individual beam weights;
Fig. 7 ist ein Ablaufplan, der die Schritte der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen der Einzelstrahlgewichte für die durch den Kollimator aus den Fig. 1-3 gesteuerten Einzelstrahlen bei verschiedenen Bühnenwinkeln zeigt;Fig. 7 is a flow chart showing the steps of the present invention for determining the beam weights for the beams controlled by the collimator of Figs. 1-3 at various stage angles;
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines schnellen elektrostatischen Computers, der zum Bestimmen einer Ladungsverteilung in einem tumorförmigen Gebiet, wie es durch eine Anzahl leitender Elemente simuliert wird, genutzt werden kann; undFig. 8 is a schematic representation of a fast electrostatic computer that can be used to determine a charge distribution in a tumor-shaped area as simulated by a number of conductive elements; and
Fig. 9 ist ein ausführlicher Schaltplan eines solchen leitenden Elements und seiner Verbindung zu benachbarten Verbindungselementen oder zu einem Ladungsverstärker oder zu einer Spannungsquelle durch einen Festkörperschalter.Fig. 9 is a detailed circuit diagram of such a conductive element and its connection to adjacent connecting elements or to a charge amplifier or to a voltage source through a solid-state switch.
In Fig. 1 enthält eine zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignete Strahlentherapieeinheit 10 eine Strahlungsquelle 12, die einen allgemein konischen Bestrahlungsstrahl 14' erzeugt, der von einem Brennpunkt 18 ausgestrahlt wird und auf einen (in Fig. 1 nicht gezeigten) Patienten 17 gerichtet ist. Der konische Strahl 14' wird durch eine strahlungsundurchlässige Maske 16, die aus einem Satz rechteckiger Kollimatorflügel konstruiert ist, gebündelt, um einen allgemein ebenen Fächerstrahl 14 zu bilden, der gegen eine Fächerstrahlebene 20 zentriert ist.In Fig. 1, a radiation therapy unit 10 suitable for use with the present invention includes a radiation source 12 which produces a generally conical radiation beam 14' radiated from a focal point 18 and directed toward a patient 17 (not shown in Fig. 1). The conical beam 14' is collimated by a radiopaque mask 16 constructed from a set of rectangular collimator vanes to form a generally planar fan beam 14 centered against a fan beam plane 20.
Bevor der Patienten 17 die Strahlung empfängt, ist ein Kompensator 22 in dem Fächerstrahl 14 und gegen die Fächerebene 20 zentriert, wobei er mehrere benachbarte trapezförmige Blätter 30 enthält, die zusammen einen Bogen konstanten Radius' um den Brennpunkt 18 bilden. Die Blätter 30 werden in Manschetten 24 gehalten. Die Manschetten 24 sind aus strahlungsdurchlässigen Materialien konstruiert und an ihren Innenenden 23 an einer in Bezug auf den Brennpunkt 18 fixierten Grundplatte 26 befestigt. Die Grundplatte 26 ist aus einem starken, strahlungsundurchlässigen Material konstruiert und um eine Störung des Fächerstrahls 14 zu verhindern, gerade außerhalb des Fächerstrahls 14 angebracht.Before the patient 17 receives the radiation, a compensator 22 is centered in the fan beam 14 and against the fan plane 20, comprising a plurality of adjacent trapezoidal leaves 30 which together form a arc of constant radius around the focal point 18. The blades 30 are held in collars 24. The collars 24 are constructed of radiation-transmissive materials and are attached at their inner ends 23 to a base plate 26 fixed with respect to the focal point 18. The base plate 26 is constructed of a strong, radio-opaque material and is mounted just outside the fan beam 14 to prevent interference with the fan beam 14.
Um den Fächerstrahl 14 in einen Satz benachbarter tafelartiger Einzelstrahlen 28 bei Versatzwinkeln φ zu unterteilen, liegen die Blätter 30 des Kompensators 22 vorzugsweise dem ganzen Fächerstrahl 14 gegenüber. Ebenfalls in Fig. 2 ist jede Manschette 24 an ihrem Außenende 27 offen, um ein trapezförmiges Blatt 30 vergleichbarer Größe gleitend aufzunehmen, das aus einem dichten, strahlungsundurchlässigen Material wie etwa Blei, Wolfram, Zer, Tantal oder einer verwandten Legierung konstruiert ist.In order to divide the fan beam 14 into a set of adjacent panel-like beams 28 at offset angles φ, the blades 30 of the compensator 22 preferably face the entire fan beam 14. Also in Fig. 2, each sleeve 24 is open at its outer end 27 to slidably receive a trapezoidal blade 30 of comparable size constructed of a dense, radiopaque material such as lead, tungsten, cerium, tantalum, or a related alloy.
Jedes Blatt 30 kann vollständig in seiner entsprechenden Manschette 24 gleiten, um den jener Manschette 24 zugeordneten Einzelstrahl 28 zu sperren. Wenn das Blatt 30 seinen entsprechenden Einzelstrahl 28 sperrt, heißt das, daß es in einem "geschlossenen Zustand" ist. Die Manschetten 24 besitzen eine reichliche Länge, um zu ermöglichen, daß jedes Blatt 30 aus dem Weg des Fächerstrahls 14 hinausgleiten kann, um so seinen entsprechenden Einzelstrahl 28 völlig ungehindert zu lassen, wobei er dennoch durch die Manschette 24 geführt bleibt. In dieser nichtsperrenden Lage heißt es, daß ein Blatt in dem "offenen Zustand" ist.Each blade 30 can slide completely within its corresponding sleeve 24 to block the individual jet 28 associated with that sleeve 24. When the blade 30 blocks its corresponding individual jet 28, it is said to be in a "closed state." The sleeves 24 have sufficient length to allow each blade 30 to slide out of the path of the fan jet 14 so as to leave its corresponding individual jet 28 completely unobstructed while still being guided by the sleeve 24. In this non-blocking position, a blade is said to be in the "open state."
Mittels eines entsprechenden Stellglieds, das mit dem Blatt 30 durch eine flexible Verbindung 34 verbunden ist, kann jedes Blatt 30 rasch zwischen seinem offenen und seinem geschlossenen Zustand verschoben werden. Die Stellglieder 32 besitzen (nicht gezeigte) Innenkolben, die mit hoher Geschwindigkeit mittels Druckluft, die an die Stellglieder 32 durch Zuleitungsschläuche 35 angeschlossen ist, zwischen den Enden der Stellglieder 32 verschoben werden können. Die Zuleitungsschläuche 35 werden durch eine (in den Fig. 1 oder 2 nicht gezeigte) unten zu beschreibende Kompensatorsteuerung gespeist. Um die Blätter 30 rasch und unabhängig zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand zu verschieben, können die Stellglieder 32 hohe Kräfte auf sie ausüben.By means of a corresponding actuator connected to the blade 30 by a flexible connection 34, each blade 30 can be rapidly displaced between its open and closed states. The actuators 32 have internal pistons (not shown) which can be displaced at high speed between the ends of the actuators 32 by means of compressed air connected to the actuators 32 by supply hoses 35. The supply hoses 35 are fed by a compensator control (not shown in Figs. 1 or 2) to be described below. In order to rapidly and independently displace the blades 30 between the open and closed states, the actuators 32 can exert high forces on them.
In den Fig. 2 und 3 werden die Blätter 30 in den Manschetten 24 durch Führungsschienen 36, die in längs der Kanten der Blätter 30 geschnittene Nuten 38 eingepaßt sind, abgestützt und geführt. Die Nuten 38 ermöglichen, daß die Führungsschienen 36 die Blätter 30 während des Verschiebens zwischen dem offenen und dem geschlossenen Zustand gleitend in den Manschetten 24 halten.In Figures 2 and 3, the blades 30 are supported and guided in the collars 24 by guide rails 36 fitted into grooves 38 cut along the edges of the blades 30. The grooves 38 enable the guide rails 36 to slidably hold the blades 30 in the collars 24 during movement between the open and closed states.
In dem geschlossenen Zustand wird das Innenende 40 jedes Blatts 30 durch eine an der Grundplatte befestigte starre Einfassung 42 aufgenommen, die das Blatt 30 genauer mit der Grundplatte 26 und daher mit dem Fächerstrahl 14 ausrichtet, als es durch die Führungsschienen 36 möglich wäre. Während die ideal strahlungsdurchlässigen Führungsschienen 36 relativ substanzlos sind, braucht die außerhalb des Fächerstrahls 14 auf der Grundplatte 26 angebrachte Einfassung 42 im Gegensatz dazu nicht strahlungsdurchlässig zu sein und ist daher in der Konstruktion substanzhaltiger. Eine der Einfassung 42 ähnliche (nicht gezeigte) Einfassung stützt jedes Blatt 30 ab, wenn es vollständig in dem offenen Zustand ist. Da die Blätter 30 ihre meiste Zeit in dem vollständig offenen oder in dem vollständig geschlossenen Zustand verbleiben, befinden sie sich die meiste Zeit fest an einer Abstützeinfassung 42.In the closed state, the inner end 40 of each blade 30 is received by a rigid bezel 42 attached to the base plate which aligns the blade 30 with the base plate 26 and hence with the fan beam 14 more precisely than would be possible with the guide rails 36. While the ideally radiolucent guide rails 36 are relatively insubstantial, the bezel 42 mounted on the base plate 26 outside the fan beam 14 need not be radiolucent in contrast and is therefore more substantial in construction. A bezel similar to the bezel 42 (not shown) supports each blade 30 when it is fully in the open state. Since the blades 30 remain in the fully open or fully closed state most of the time, Most of the time they are firmly attached to a support frame 42.
In Fig. 4 ist die Strahlungsquelle 12 auf einer Bühne 44 angebracht, wobei sich die letztere in der Ebene 20 des Fächerstrahls um einen Drehungsmittelpunkt 45 in dem Patienten 17 in der Weise dreht, daß der Fächerstrahl 14 eine Scheibe des Patienten 17 aus einer Vielzahl von Bühnenwinkeln A bestrahlen kann.In Fig. 4, the radiation source 12 is mounted on a stage 44, the latter rotating in the plane 20 of the fan beam about a center of rotation 45 in the patient 17 such that the fan beam 14 can irradiate a slice of the patient 17 from a variety of stage angles A.
Die Strahlungsquelle 12 wird durch ein Strahlungssteuermodul 48 gesteuert, das den Bestrahlungsstrahl 14 unter der Steuerung eines Computers 51 an- oder ausschaltet.The radiation source 12 is controlled by a radiation control module 48, which switches the radiation beam 14 on or off under the control of a computer 51.
Um die Stellglieder 32 zum Verschieben jedes Blatts 30 in seine entsprechende Manschette 24 und in seinen entsprechenden Einzelstrahl 28 und aus diesem heraus getrennt zu steuern, stellt ein Kompensatorsteuermodul 52 eine Druckluftquelle und Ventile zum Sperren jener Luft durch die Zuführungsschläuche 35 bereit (siehe auch Fig. 1). Außerdem ist das Kompensatorsteuermodul 52 an den Computer 51 angeschlossen, um die Programmsteuerung des zu beschreibenden Kompensators 22 zu ermöglichen.In order to separately control the actuators 32 for moving each blade 30 into and out of its respective sleeve 24 and individual jet 28, a compensator control module 52 provides a source of compressed air and valves for blocking that air through the supply hoses 35 (see also Fig. 1). In addition, the compensator control module 52 is connected to the computer 51 to enable program control of the compensator 22 to be described.
Um für Planungszwecke vor der Strahlentherapie ein Tomographie- oder Scheibenbild der bestrahlten Scheibe des Patienten 17 zu erzeugen, kann auf derselben Bühne 44 wie die Strahlungsquelle 12 vorteilhaft ein Tomographieabbildungssystem 11 angebracht sein, das eine Röntgenstrahlungsquelle 46 und eine gegenüberliegende Sensormatrix 50 verwendet. Alternativ kann eine solche Tomographieabbildung auf einer getrennten Maschine ausgeführt werden, wobei die Scheiben in Übereinstimmung mit den auf dem Patienten 17 durch Messung ermittelten Skalenteilstrichen ausgerichtet werden.In order to produce a tomographic or slice image of the irradiated slice of the patient 17 for planning purposes prior to radiotherapy, a tomographic imaging system 11 using an X-ray source 46 and an opposing sensor matrix 50 may advantageously be mounted on the same stage 44 as the radiation source 12. Alternatively, such tomographic imaging may be carried out on a separate machine, with the slices being scanned in accordance with the Patients are aligned with 17 scale divisions determined by measurement.
Ein Bühnensteuermodul 54 erzeugt die zum Drehen der Bühne 44 und daher zum Ändern der Lage der Strahlungsquelle 12 und des Winkels θ des Fächerstrahls 14 für die Strahlentherapie sowie für die Computertomographie-Röntgenstrahlungsquelle 46 und die ebenfalls an der Bühne 44 befestigte Sensormatrix 50 erforderlichen Signale. Das Bühnensteuermodul 54 ist an den Computer 51 angeschlossen, so daß die Bühne unter der Computersteuerung gedreht werden kann und um außerdem zur Unterstützung bei jener Steuerung ein Signal für den Computer 51 bereitzustellen, das den Bühnenwinkel θ angibt.A stage control module 54 generates the signals necessary to rotate the stage 44 and therefore change the position of the radiation source 12 and the angle θ of the fan beam 14 for radiation therapy, as well as the computed tomography x-ray source 46 and the sensor array 50 also attached to the stage 44. The stage control module 54 is connected to the computer 51 so that the stage can be rotated under computer control and also to provide a signal to the computer 51 indicative of the stage angle θ to assist in that control.
Die Steuermodule für das Tomographieabbildungssystem 11 umfassen: ein Röntgenstrahlungssteuermodul 56 zum Ein- und Ausschalten der Röntgenstrahlungsquelle 46 und ein Datenerfassungssystem 58 zum Empfangen von Daten von der Sensormatrix 50 zum Konstruieren einer Tomographieabbildung. Für den Fachmann auf dem Gebiet ist selbstverständlich, daß zur Unterstützung bei der Überprüfung der Behandlung außerdem eine Sensormatrix 50' zum Empfangen von Strahlung von der Strahlungsquelle 12 durch den Patienten 17 angeordnet werden kann.The control modules for the tomographic imaging system 11 include: an x-ray control module 56 for turning the x-ray source 46 on and off, and a data acquisition system 58 for receiving data from the sensor array 50 to construct a tomographic image. Those skilled in the art will appreciate that a sensor array 50' may also be arranged to receive radiation from the radiation source 12 through the patient 17 to assist in verifying treatment.
Zur Unterstützung beim "Rekonstruieren" eines Tomographiebilds von solchen Daten entsprechend auf dem Gebiet wohlbekannten Verfahren empfängt eine Bildrekonstruktionseinrichtung 60, die typischerweise einen schnellen Matrixprozessor oder dergleichen enthält, die Daten von dem Erfassungssystem 58. Wie unten beschrieben wird, kommuniziert die Bildrekonstruktionseinrichtung 60 außerdem zur Unterstützung bei den in der vorliegenden Erfindung verwendeten schnellen Berechnungen mit dem Computer 51. Das Tomographiebild ermöglicht die Überprüfen der Einstellung des Patienten unmittelbar vor der Strahlentherapiebehandlung.To assist in "reconstructing" a tomographic image from such data according to methods well known in the art, an image reconstructor 60, typically including a fast matrix processor or the like, receives the data from the acquisition system 58. As described below, the image reconstructor 60 also communicates with the computer 51 to assist in the fast calculations used in the present invention. The tomographic image enables the verification of the Patient attitude immediately before radiotherapy treatment.
Ein Endgerät 62 mit einer Tastatur und einer Anzeigeeinheit 63 ermöglicht, daß ein Betreiber Programme und Daten in den Computer 51 eingibt und ermöglicht, die Strahlentherapieeinheit 10 und die Tomographieabbildungsanlage 11 zu steuern und durch die Bildrekonstruktionseinrichtung 60 erzeugte Tomographiebilder auf der Anzeige 63 anzuzeigen. Ein Massenspeichersystem 64, das entweder eine Magnetplatteneinheit oder ein Bandlaufwerk ist, ermöglicht das Speichern durch das Tomographieabbildungssystem 11 gesammelter Daten zur späteren Verwendung.A terminal 62 having a keyboard and a display unit 63 enables an operator to enter programs and data into the computer 51 and enables the radiotherapy unit 10 and the tomographic imaging system 11 to be controlled and to display tomographic images produced by the image reconstruction device 60 on the display 63. A mass storage system 64, which is either a magnetic disk unit or a tape drive, enables data collected by the tomographic imaging system 11 to be stored for later use.
Computerprogramme zum Betreiben der Strahlentherapieeinheit 10 werden allgemein in der Massenspeichereinheit 64 gespeichert und zur raschen Verarbeitung während des Gebrauchs der Einheit 10 in den internen Speicher des Computers 51 geladen.Computer programs for operating the radiotherapy unit 10 are generally stored in the mass storage unit 64 and loaded into the internal memory of the computer 51 for rapid processing during use of the unit 10.
Während des Betriebs der Strahlentherapieeinheit 10 empfängt das Kompensatorsteuermodul 52 von dem Computer 51 für jeden Bühnenwinkel ein Teilchenflußprofil. Das Teilchenflußprofil beschreibt die Intensität oder den Teilchenstrom jedes Teilstrahls 28 des Fächerstrahls 14 von der Strahlungsquelle 12, der bei einer gegebenen Lage des durch den Fächerstrahl 14 verschobenen (nicht gezeigten) Patientenunterstützungstischs für jenen Bühnenwinkel 9 verlangt wird. Die Teilchenflußprofile für jeden Bühnenwinkel ergeben zusammen ein Behandlungssinogramm für eine besondere Lage des Patiententischs.During operation of the radiation therapy unit 10, the compensator control module 52 receives a flux profile from the computer 51 for each stage angle. The flux profile describes the intensity or flux of each beam portion 28 of the fan beam 14 from the radiation source 12 required for that stage angle 9 for a given position of the patient support table (not shown) displaced by the fan beam 14. The flux profiles for each stage angle together form a treatment sinogram for a particular position of the patient table.
Das Kompensatorsteuermodul 52 verschiebt die Blätter 30 des Kompensators 22 für jeden Einzelstrahl 28 rasch zwischen deren offenem und deren geschlossenem Zustand, um jeden Strahl 28 entweder voll zu dämpfen oder um keine Dämpfung zu erzeugen. Abstufungen in dem Teilchenfluß jedes Teilstrahls, wie sie für jedes Teilchenflußprofil erforderlich sind, werden für jeden Bühnenwinkel durch Einstellen der relativen Dauer, während der jedes Blatt 30 in dem geschlossenen Zustand ist im Vergleich zu der relativen Dauer, während der jedes Blatt 30 in der offenen Lage ist, erhalten. Das Verhältnis zwischen dem geschlossenen und dem offenen Zustand oder der "Arbeitszyklus" beeinflußt für jedes Blatt 30 die durch ein gegebenes Blatt 30 bei jedem Bühnenwinkel durchgelassene Gesamtenergie und steuert somit den mittleren Teilchenfluß jedes Teilstrahls 28. Die Fähigkeit, den mittleren Fluß bei jedem Bühnenwinkel zu steuern, ermöglicht eine genaue Steuerung der durch den Fächerstrahl 14 durch das bestrahlte Volumen des Patienten 17 bereitgestellten Dosis vermittels unten beschriebener Therapieplanungsverfahren.The compensator control module 52 rapidly shifts the blades 30 of the compensator 22 for each individual beam 28 between their open and closed states to either fully attenuate each beam 28 or to not attenuate any attenuation. Gradations in the flux of each sub-beam, as required for each flux profile, are obtained for each stage angle by adjusting the relative duration that each blade 30 is in the closed state compared to the relative duration that each blade 30 is in the open position. The ratio between the closed and open states, or "duty cycle," for each blade 30, affects the total energy transmitted by a given blade 30 at each stage angle and thus controls the average flux of each sub-beam 28. The ability to control the average flux at each stage angle allows precise control of the dose delivered by the fan beam 14 to the irradiated volume of the patient 17 using therapy planning techniques described below.
Die Teilchenstromprofile des Behandlungssinogramms werden durch (unten beschriebene) Therapieplanungssoftware bestimmt und in dem Computer 51 gespeichert.The particle flow profiles of the treatment sinogram are determined by therapy planning software (described below) and stored in the computer 51.
In einer ersten Ausführung wird die Erzeugung eines Behandlungssinogramms, das erforderlich ist, um die vollen Vorteile des obenbeschriebenen Kompensators zu erhalten, durch speziell entwickelte Software ausgeführt die auf dem Computer 51 und auf der Rekonstruktionseinrichtung 60 läuft. Obgleich die Behandlungsplanung softwaremäßig ausgeführt wird, wird erkannt, daß die Planung ebenfalls in einer für diese Operation vorgesehenen diskreten elektronischen Schaltungsanordnung verwirklicht werden kann, wobei eine solche hierfür vorgesehene Schaltungsanordnung angewendet werden kann, um für diesen Prozeß eine noch größere Geschwindigkeit zu schaffen.In a first embodiment, the generation of a treatment sinogram required to obtain the full benefits of the compensator described above is carried out by specially developed software running on the computer 51 and on the reconstruction device 60. Although the treatment planning is carried out in software, it is recognized that the planning can also be implemented in discrete electronic circuitry dedicated to this operation, and such dedicated circuitry can be used to provide even greater speed to this process.
Schließlich können bestimmte kritische Schritte des Prozesses in einer zweiten Ausführung auf einem zu beschreibenden speziellen elektrostatischen Computer ausgeführt werden.Finally, certain critical steps of the process can be carried out in a second execution on a special electrostatic computer to be described.
In den Fig. 5 und 7 beginnt die Erzeugung des Soll-Behandlungssinogramms zur Steuerung des Kompensators 22 mit der Definition eines Soll-Dosiskennfeldes 66. Das Dosiskennfeld ist ein Satz von Dosiswerten, die in räumlichen Koordinaten oder Zonen in der zu bestrahlenden Scheibe des Patienten 17 identifiziert sind. Ein typisches Soll- Dosiskennfeld 66 ordnet innerhalb einer Dosisrandbedingung einem Tumorgewebegebiet 68 eine relativ hohe Strahlungsdosis zu, während es einem Gebiet 72, das ein strahlungsempfindliches Organ oder dergleichen enthält, eine zweite, geringere Strahlungsdosis zuordnet.5 and 7, the generation of the target treatment sinogram for controlling the compensator 22 begins with the definition of a target dose map 66. The dose map is a set of dose values identified in spatial coordinates or zones in the slice of the patient 17 to be irradiated. A typical target dose map 66, within a dose constraint, assigns a relatively high radiation dose to a tumor tissue region 68 while assigning a second, lower radiation dose to a region 72 containing a radiation-sensitive organ or the like.
Das Soll-Dosiskennfeld 66 kann am einfachsten durch Anzeigen der Tomographieansicht der Scheibe des Patienten 17 auf der Anzeige 63 des Endgeräts 62 (wie sie etwa ähnlich zu Fig. 5 erscheinen würde) und durch manuelles Nachgehen um das Tumorgebiet 68 und um das empfindliche Gebiet 72 unter Verwendung einer Rollkugel oder einer ähnlichen Eingabevorrichtung, wie sie auf dem Gebiet selbstverständlich ist, eingegeben werden. Um in jedes verfolgte Gebiet einen vorgegebenen gleichförmigen Dosiswert in das richtige Element in der Speichermatrix, die das Soll-Dosiskennfeld 66 darstellt, zu übergeben, können Standard-Flächenfüll-Computerprogramme verwendet werden.The target dose map 66 can be most easily entered by displaying the tomographic view of the patient's 17 slice on the display 63 of the terminal 62 (such that it would appear similar to Figure 5) and manually tracing around the tumor area 68 and the sensitive area 72 using a trackball or similar input device as is common in the art. Standard area-filling computer programs can be used to input a predetermined uniform dose value to each tracked area into the appropriate element in the memory matrix representing the target dose map 66.
Das Soll-Dosiskennfeld 66 wird als eine Matrix von Elementen in dem Speicher des Computers 51 gespeichert, wobei jedes Element einen Zahlenwert hält und eine räumliche Koordinate besitzt, die einer Lage in einer Scheibe des zu behandelnden Patienten 17 entspricht.The target dose map 66 is stored as a matrix of elements in the memory of the computer 51, each element holding a numerical value and having a spatial coordinate corresponding to a position in a slice of the patient 17 to be treated.
Jedes Element des Dosiskennfeldes 66 definiert die Soll- Dosis bei jedem der mehreren Volumenelemente 74 ("Voxel") in einer Scheibe des Patienten 17. In Fig. 6 kann jedes Voxel 74 des Patienten 17 durch einen von einem gegebenen Bezugspunkt 76 definierten Vektor x gekennzeichnet werden. Die Soll-Dosis bei jedem Voxel 74 ist D(x). Das wie obenbeschriebene Eingeben des Soll-Dosiskennfeldes wird durch den Prozeßblock 90 angegeben und erzeugt im Speicher die Matrix Dm(x).Each element of the dose map 66 defines the target dose at each of the plurality of volume elements 74 ("voxels") in a slice of the patient 17. In Figure 6, each voxel 74 of the patient 17 can be characterized by a vector x defined by a given reference point 76. The target dose at each voxel 74 is D(x). The input of the target dose map as described above is indicated by the process block 90 and produces the matrix Dm(x) in memory.
Typischerweise ergibt sich die Dosis bei irgendeinem gegebenen Voxel 74 in dem Patienten 17 aus dem Zusammenwirken einer Anzahl verschiedener, bei verschiedenen Bühnenwinkeln θ produzierter Einzelstrahlen 28(a) bis 28(d). Dennoch ist der Beitrag von jedem Einzelstrahl 28 zu der Dosis bei irgendeinem Voxel 74 im allgemeinen nicht gleich. Dies liegt daran, daß jeder Einzelstrahl 28 längs seines Weges, der andere Voxel 74 schneidet, denen andere Dosen zugeordnet sein können, notwendig über ein kontinuierliches Volumen hingleitet. Zum Beispiel gleitet der Einzelstrahl 28(d), der das Voxel 74 im Tumor 68 bestrahlt, außerdem durch das Voxel 74' in dem strahlungsempfindlichen Organ 72. Daher wird die Dosis für das Voxel 74 vorzugsweise durch andere Einzelstrahlen als 28(d) bereitgestellt. Das Maß der relativen Stärke jedes Teilstrahls wird allgemein als das "Einzelstrahlgewicht" bezeichnet.Typically, the dose at any given voxel 74 in the patient 17 results from the interaction of a number of different beams 28(a) through 28(d) produced at different stage angles θ. However, the contribution of each beam 28 to the dose at any voxel 74 is generally not equal. This is because each beam 28 necessarily passes over a continuous volume along its path intersecting other voxels 74 to which other doses may be associated. For example, the beam 28(d) irradiating the voxel 74 in the tumor 68 also passes through the voxel 74' in the radiation-sensitive organ 72. Therefore, the dose to the voxel 74 is preferably provided by beams other than 28(d). The measure of the relative strength of each beam is generally referred to as the "single beam weight".
Das Zuordnen des Dosisbeitrags unter verschiedenen Einzelstrahlen 28, d. h. die Bestimmung der Einzelstrahlgewichte, ist ein äußerst komplexes Problem. Die vorliegende Erfindung erkennt, daß eine Lösung für dieses Problem das Modellieren des Soll-Dosiskennfeldes als die Potentialenergie einer leitenden Platte ist. Diese Erkenntnis gestattet die Verwendung vieler wohlentwickel ter, vorher zum Lösen elektrostatischer Probleme verwendeter Verfahren.The assignment of the dose contribution among different individual beams 28, ie the determination of the individual beam weights, is an extremely complex problem. The present invention recognizes that a solution to this problem is to model the target dose map as the potential energy of a conductive plate. This recognition allows the use of many well-developed methods previously used to solve electrostatic problems.
Sobald eine Ladungsverteilung bestimmt ist, die ein Potentialfeld erzeugen würde, das dem Soll-Dosiskennfeld 66 gleicht, können die Einzelstrahlgewichte für irgendeinen gegebenen Einzelstrahl 28, wie beschreiben wird, einfach durch Summieren der Ladungen längs des Weges jenes Einzelstrahls 28 bestimmt werden.Once a charge distribution is determined that would produce a potential field equal to the desired dose map 66, the beam weights for any given beam 28 can be determined simply by summing the charges along the path of that beam 28, as will be described.
Sobald in Fig. 7 im Prozeßblock 90 das Soll-Dosiskennfeld 66 bestimmt wurde, wird es, wie im Prozeßblock 92 angegeben, zum Berechnen einer Ladungsverteilung in einem der Behandlungsscheibe entsprechenden Volumen verwendet. Die besondere Ladungsverteilung ist die, die ein Potentialenergiefeld erzeugen würde, das dem Soll-Dosiskennfeld 66 gleicht.Once the target dose map 66 has been determined in process block 90 in Fig. 7, it is used to calculate a charge distribution in a volume corresponding to the treatment disk as indicated in process block 92. The particular charge distribution is that which would produce a potential energy field equal to the target dose map 66.
Irgendeine stationäre elektrische Ladung wie etwa ein Elektron erzeugt um sich ein elektrostatisches Feld. Jenes Feld ist allgemein ein Maß der auf eine Testladung in dem Gebiet der stationären elektrischen Ladung ausgeübten Kraft, wobei es gemäß dem Coulomb-Gesetz zu dem Inversen des Quadrats des trennenden Abstands proportional ist.Any stationary electric charge, such as an electron, creates an electrostatic field around itself. That field is generally a measure of the force exerted on a test charge in the region of the stationary electric charge, and is proportional to the inverse of the square of the separating distance, according to Coulomb's law.
Das elektrostatische Feld versieht die Testladung mit einer wohldefinierten Potentialenergie, die dem Inversen des trennenden Abstands einfach proportional ist. Für mehrere Ladungen bei Lagen x' ist die Potentialenergie bei einer gegebenen Lage x wie folgt: The electrostatic field provides the test charge with a well-defined potential energy that is simply proportional to the inverse of the separating distance. For several charges at positions x', the potential energy at a given position x is as follows:
wobei P(x) das Potential bei der räumlichen Koordinate x ist,where P(x) is the potential at the spatial coordinate x,
r(x') die Ladungsverteilung bei anderen räumlichen Koordinaten x' ist und r(x') the charge distribution at other spatial coordinates x' and
x - x' der Abstand zwischen den beiden Koordinaten x und x' ist.x - x' is the distance between the two coordinates x and x'.
Die durch den Prozeßblock 92 angegebene Berechnung der Ladungsverteilung erfordert daher einfach die Bestimmung einer Ladungsverteilung ρ(x) wie etwa P(x) = Dm(x). Das heißt: The charge distribution calculation indicated by process block 92 therefore simply requires determining a charge distribution ρ(x) such as P(x) = Dm(x). That is:
In einem ersten Verfahren des Berechnens der Ladungsverteilung des Prozeßblocks 92 wird die elektrostatische Analogie in einem elektrostatischen Spezialcomputer 91 ausgewertet.In a first method of calculating the charge distribution of the process block 92, the electrostatic analogy is evaluated in a special electrostatic computer 91.
In den Fig. 8 und 9 ist die Scheibe des Patienten 17 in diesem elektrostatischen Computer 91 durch eine ebene Matrix leitender Elemente 94 dargestellt, die in rechtwinkligen Spalten und Zeilen angeordnet sind. Jedes leitende Element 94 kann eine quadratische Kupferplatte sein. Jedes leitende Element 94 ist längs der Zeilen und Spalten mit seinen leitenden Nachbarelementen 94 durch vier Festkörperschalter 98 verbunden, die geschlossen sein können, um eine leitende Verbindung 100 zwischen irgendzwei benachbarten leitenden Elementen 94 zu bilden oder die geöffnet sein können, um ein leitendes Element 94 von seinen Nachbarn zu isolieren. Wenn alle Festkörperschalter 98 geschlossen sind, wirken die leitenden Elemente 94 somit als eine einzige leitende Folie.In Figures 8 and 9, the patient's 17 disk in this electrostatic computer 91 is represented by a planar matrix of conductive elements 94 arranged in rectangular columns and rows. Each conductive element 94 may be a square copper plate. Each conductive element 94 is connected along the rows and columns to its neighboring conductive elements 94 by four solid state switches 98 which may be closed to form a conductive connection 100 between any two neighboring conductive elements 94 or which may be open to isolate a conductive element 94 from its neighbors. Thus, when all of the solid state switches 98 are closed, the conductive elements 94 act as a single conductive foil.
Außerdem ist jedes leitende Element über einen Festkörperschalter 102 an einen Ladungsverstärker 104, der die Ladung auf irgendeinem isolierten leitenden Element 94 messen kann, oder alternativ, wie durch den Schalter 103 bestimmt, an eine Spannungsquelle 106 angeschlossen.In addition, each conductive element is connected via a solid state switch 102 to a charge amplifier 104, which switches the charge on any isolated conductive element 94 can measure, or alternatively, as determined by switch 103, connected to a voltage source 106.
Der elektrostatische Computer 91 empfängt das Dosiskennfeld 66 und berechnet, wie durch den Prozeßblock 92 angegeben, die Ladungsverteilung durch Ausführen der folgenden Schritte.The electrostatic computer 91 receives the dose map 66 and, as indicated by process block 92, calculates the charge distribution by performing the following steps.
Zuerst werden alle leitenden Elemente 94 miteinander verbunden und geerdet, um irgendeine angehäufte Ladung zu entfernen.First, all conductive elements 94 are connected together and grounded to remove any accumulated charge.
Dann werden die leitenden Elemente 94 in einer Zone zum Empfangen eines gleichförmigen Dosiswerts wie etwa der Tumorzone 68 durch Schließen der erforderlichen Festkörperschalter 98 mit Verbindungen 100 verbunden. Die verbundenen Elemente 94 bilden dann eine leitende Folie mit einem Rand, der in der Scheibe des Patienten an jenen des Tumors 68 angepaßt ist. Die Spannungsquelle 106 wird dann an eine s der verbundenen leitenden Elemente 94 angeschlossen, wobei die Ladung in die verbundenen Elemente 94 fließen kann, bis ihr Spannungspotential der Elemente 94 das der Soll-Dosis des Dosiskennfeldes 66 entsprechende Niveau erreicht. Da die leitenden Elemente 94 eine einzelne leitende Folie bilden, ist das Potential jedes leitenden Elements 94 gleich, wobei auf diese Weise innerhalb eines gegebenen Gebiets nur gleichförmige Dosen modelliert werden können. Da typischerweise über das Gesamtgebiet des Tumors in einer Scheibe eine gleichförmige Dosis erwünscht ist, ist dies jedoch nicht übermäßig einschränkend. Falls gewünscht, können weiter Teilzonen zum Annähern nichtgleichförmiger Dosisverteilungen verwendet werden.Then, the conductive elements 94 are connected to connections 100 in a zone for receiving a uniform dose value, such as the tumor zone 68, by closing the required solid state switches 98. The connected elements 94 then form a conductive foil with an edge that matches that of the tumor 68 in the patient's slice. The voltage source 106 is then connected to one of the connected conductive elements 94, allowing charge to flow into the connected elements 94 until their voltage potential of the elements 94 reaches the level corresponding to the target dose of the dose map 66. Since the conductive elements 94 form a single conductive foil, the potential of each conductive element 94 is the same, thus allowing only uniform doses to be modeled within a given area. However, since a uniform dose is typically desired over the entire tumor area in a slice, this is not overly limiting. If desired, further subzones can be used to approximate non-uniform dose distributions.
Sobald das Soll-Potential auf den verbundenen leitenden Elementen 94 erreicht ist, sind die Ladungen auf den verbundenen Elementen 94 an verschiedene Orte gewandert, wie sie zum Erzeugen eines gleichförmigen Potentialfeldes über jene verbundenen Elemente 94 erforderlich sind. Zu diesem Zeitpunkt werden die Verbindungen 100 durch Öffnen irgendwelcher geschlossener Festkörperschalter 98 in dem dritten Schritt unterbrochen, wobei jedes leitende Element 94 ist isoliert wird. Jedes leitende Element 94 wird durch Festkörperschalter 102 aufeinanderfolgend an einen Ladungsverstärker 104 angeschlossen, der eine Ausgangsspannung erzeugt, die der Ladung auf jenem Element 94 gleicht. Diese Ausgangsspannungen werden durch einen (nicht gezeigten) Analog-Digital-Umsetzer gelesen, um in dem Computer 51 eine Matrix zu erzeugen, die die Ladungsverteilung ρ(x) angibt.As soon as the target potential is reached on the connected conductive elements 94, the charges on the connected elements 94 to various locations as required to create a uniform potential field across those connected elements 94. At this time, the connections 100 are broken by opening any closed solid state switches 98 in the third step, isolating each conductive element 94. Each conductive element 94 is connected in sequence through solid state switches 102 to a charge amplifier 104 which produces an output voltage equal to the charge on that element 94. These output voltages are read by an analog-to-digital converter (not shown) to produce a matrix in the computer 51 indicating the charge distribution ρ(x).
Ein alternatives Verfahren des Berechnens der Ladungsverteilung für den Prozeßblock 92 ist das Modellieren der Ladungsverteilung im Computer 51. In diesem Fall wird die Berechnung der Ladungsverteilung durch aufeinanderfolgende numerische Verfahren bestimmt.An alternative method of calculating the charge distribution for the process block 92 is to model the charge distribution in the computer 51. In this case, the calculation of the charge distribution is determined by sequential numerical methods.
Ein erster Zugang verwendet die Laplace-Differentialgleichung mit der passenden Randbedingung, wie sie durch den Umriß der verschiedenen Zonen 68 oder 72, die den Tumor oder das empfindliche Organ definieren, bestimmt ist. Die Laplace-Gleichung lautet:A first approach uses the Laplace differential equation with the appropriate boundary condition as determined by the outline of the different zones 68 or 72 defining the tumor or the sensitive organ. The Laplace equation is:
²Φ(x) = 0, (3)²Φ(x) = 0, (3)
wobei Φ die elektrostatische Potentialenergie ist, die gleich der Dosis gesetzt werden muß. Dementsprechend lautet die entsprechende Gleichung für die Dosisverteilung:where Φ is the electrostatic potential energy, which must be set equal to the dose. Accordingly, the corresponding equation for the dose distribution is:
²Dm(x) = 0. (4)²Dm(x) = 0. (4)
Die Lösung für die Laplace-Gleichung kann numerisch erhalten werden. Lösungsverfahren sind durch W. H. Press, B. P. Flannery, S. A. Teukolsky und W. T. Vetterling, Numerical Recipes (Cambridge University Press, 1986) beschrieben.The solution to the Laplace equation can be obtained numerically. Solution procedures are described by W. H. Press, B. P. Flannery, S. A. Teukolsky and W. T. Vetterling, Numerical Recipes (Cambridge University Press, 1986).
Die Lösung der Gleichung (4) bestimmt primär den Abfall der Dosis außerhalb des Tumorgebiets. Sobald diese Potentialenergieverteilung außerhalb des Tumors erhalten wird, ist die entsprechende Ladungsverteilung ρ(x) durch die Poisson-Gleichung gegeben:The solution of equation (4) primarily determines the drop in dose outside the tumor area. Once this potential energy distribution outside the tumor is obtained, the corresponding charge distribution ρ(x) is given by the Poisson equation:
²Φ(x) = -4πρ(x), (5) ²φ(x) = -4ππ(x), (5)
wobei die Ladungsverteilung, wie es hier der Fall ist, auf eine einzelne Ebene beschränkt ist. Falls die Soll- Dosisverteilung gleichförmig ist, ist das elektrische Feld auf der Oberfläche der Platte normal zu der Platte, wobei die Ladungsverteilung unter Verwendung der vereinfachten Beziehung: where the charge distribution is confined to a single plane, as is the case here. If the target dose distribution is uniform, the electric field on the surface of the plate is normal to the plate, where the charge distribution is calculated using the simplified relationship:
abgeleitet werden kann, wobei E das elektrische Feld und z die Kartesische Koordinate normal zu der Platte ist. Es wird angemerkt, daß die Dosis mit diesem Verfahren allgemein nicht über das Gebiet irgendeiner gegebene Zone gleichförmig sein muß.where E is the electric field and z is the Cartesian coordinate normal to the plate. It is noted that the dose using this method does not generally have to be uniform over the area of any given zone.
In einem dritten Zugang kann das Problem der Bestimmung der Ladungsverteilung numerisch durch Diskretisieren von Gleichung (1) gelöst werden. Dieses Verfahren wird als das Kollokationsverfahren bezeichnet. In diesem Fall wird Gleichung (1): In a third approach, the problem of determining the charge distribution can be solved numerically by discretizing equation (1). This method is called the collocation method. In this case, equation (1) becomes:
wobei Δv die Fläche jedes Voxels xi ist.where Δv is the area of each voxel xi.
Dies führt zu n linearen Gleichungen, die die Dosis bei einem Voxel xj mit einer linearen Summe von durch 1/r- Faktoren gewichteten Ladungen bei den n diskretisierten Punkten gleichsetzen. Dieses Gleichungssystem kann unter Verwendung von Standardverfahren der linearen Algebra gelöst werden, die dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wohlbekannt sind.This results in n linear equations equating the dose at a voxel xj to a linear sum of charges weighted by 1/r factors at the n discretized points. This system of equations can be solved using standard linear algebra techniques well known to those of ordinary skill in the art.
Eine Komplikation ist für diesen Zugang die Bestimmung der Wirkung einer gegebenen Ladung auf sich selbst, wie sie auftritt, wenn j = i ist und der Nenner von Gleichung (7) gegen null geht. Ein Zugang zu diesem Problem ist in Integral Equation Methods in Potential Theory and Electrostatics von M. A. Jaswon und G. T. Symm, veröffentlicht von Academic Press, London, 1977 behandelt.A complication of this approach is the determination of the effect of a given charge on itself, as occurs when j = i and the denominator of equation (7) tends to zero. One approach to this problem is discussed in Integral Equation Methods in Potential Theory and Electrostatics by M. A. Jaswon and G. T. Symm, published by Academic Press, London, 1977.
In Fig. 7 sind die Einzelstrahlgewichte nach der Bestimmung der Ladungsverteilung durch eines der obigen Verfahren gemäß dem Prozeßblock 110 bestimmt. In Prozeßblock 110 sind die durch die Ladungsverteilung ρ(x) definierten Ladungen zum Erzeugen des Behandlungssinogramms längs der Einzelstrahlwege integriert (zusammengezählt).In Fig. 7, the individual beam weights are determined after determining the charge distribution by one of the above methods according to process block 110. In process block 110, the charges defined by the charge distribution ρ(x) are integrated (added together) along the individual beam paths to produce the treatment sinogram.
In Fig. 6 lautet der für einen gegebenen Einzelstrahl 28 durch einen Winkel φ in bezug auf eine horizontale x- Achse durch den Patienten 17 und in der Bühnenebene und durch einen Abstand s der nächsten Annäherung des Einzelstrahls an den Drehungsmittelpunkt 45 definierte Teilchenfluß jenes Einzelstrahls 28 f(s, φ) wie folgt:In Fig. 6, for a given single beam 28, the particle flux of that single beam 28 f(s, φ) defined by an angle φ with respect to a horizontal x-axis through the patient 17 and in the stage plane and by a distance s of closest approach of the single beam to the center of rotation 45 is as follows:
f(s, φ) = dpρ(x), (8)f(s, φ) = dpπ(x), (8)
wobei:where:
f(s, φ) der Teilchenstrom für irgendeinen gegebenen Einzelstrahl ist;f(s, φ) is the particle flux for any given single beam;
q eine als die Integrationsvariable verwendete Abstandsvariable längs des Einzelstrahls ist.q is a distance variable along the single ray used as the variable of integration.
Somit schaffen diese drei Schritte des Prozeßblocks 90, 92 und 110 alle zum Erzeugen eines Behandlungssinogramms für eine beliebige Anzahl von Einzelstrahlen erforderlichen Informationen.Thus, these three steps of process blocks 90, 92 and 110 provide all the information required to generate a treatment sinogram for any number of individual beams.
Um den Integrationsprozeß zu vereinfachen, können die einzelnen Einzelstrahlen des Fächerstrahls für ein Fächerstrahlsystem, bei dem die Einzelstrahlen der Strahlung 28 um Punkte längs des Radius' der Strahlungsquelle um den Ursprung 45 divergieren, bei verschiedenen Bühnenwinkeln wieder zu Sätzen paralleler Einzelstrahlen verbunden werden.To simplify the integration process, the individual beams of the fan beam can be recombined into sets of parallel beams at different stage angles for a fan beam system in which the beams of radiation 28 diverge at points along the radius of the radiation source around the origin 45.
Für den einfachen Fall, bei dem das Dosiskennfeld 66 eine einzige Zone 68 mit einer positiven Dosis, die sich räumlich nicht zu schnell ändert, enthält, umfaßt das Sinogramm von Einzelstrahlgewichten bei verschiedenen Bühnenwinkeln θ nur nichtnegative Einzelstrahlgewichte. Somit enthält das Sinogramm nach dem Prozeß 110 beim Entscheidungsblock 112 keine negativen Einzelstrahlgewichte, wobei das Programm, das das notwendige Behandlungssinogramm erzeugt hat, beim Ausstiegspunkt 114 austritt.For the simple case where the dose map 66 contains a single zone 68 with a positive dose that does not vary too rapidly in space, the sinogram of single beam weights at various stage angles θ includes only non-negative single beam weights. Thus, after the process 110, the sinogram contains no negative single beam weights at decision block 112, and the program that generated the necessary treatment sinogram exits at exit point 114.
Für Mehrzonen-Dosiskennfelder 66 oder jene Dosiskennfelder, die in der Nähe der Tumorzone 68 konkave Zonen oder strahlungsempfindliche Zonen 72 haben, liefern die Schritte der Prozeßblöcke 90, 92 und 110 häufig ein Sinogramm mit negativen Einzelstrahlgewichten. Negative Einzelstrahlgewichte stellen Bestrahlungs-Einzelstrahlen dar, die beim Durchgehen durch den Patienten 17 keine Dosis übertragen, sondern eine Dosis absorbieren. Solche negativen Einzelstrahlgewichte können physikalisch nicht realisiert werden. Wenn negative Einzelstrahlgewichte erzeugt werden, wird zum Eliminieren der negativen Einzelstrahlgewichte dementsprechend ein Iterationsverfahren verwendet, das dennoch das Soll-Dosiskennfeld 66 approximiert.For multi-zone dose maps 66 or those dose maps that have concave zones or radiation sensitive zones 72 near the tumor zone 68, the steps of process blocks 90, 92 and 110 often provide a sinogram with negative single beam weights. Negative single beam weights represent radiation single beams which do not transmit a dose when passing through the patient 17, but absorb a dose. Such negative individual beam weights cannot be physically realized. If negative individual beam weights are generated, an iteration method is used to eliminate the negative individual beam weights, which nevertheless approximates the target dose characteristic field 66.
Beim Prozeßblock 116 werden die Einzelstrahlgewichte des Sinogramms überprüft, wobei negative Einzelstrahlgewichte zum Erzeugen eines abgeschnittenen Sinogramms durch Einzelstrahlgewichte null, das minimal realisierbare Einzelstrahlgewicht, ersetzt werden.At process block 116, the single beam weights of the sinogram are checked, replacing negative single beam weights to produce a truncated sinogram with zero single beam weights, the minimum realizable single beam weight.
Dieses abgeschnittene Sinogramm wird zum Bestimmen einer Ist-Dosis verwendet, die der Patient unter Verwendung der Einzelstrahlgewichte des abgeschnittenen Sinogramms empfangen würde. Die, wie in Fig. 6 gezeigt, in Standardpolarkoordinaten definierte Ist-Dosis D'(r, θ) von allen Einzelstrahlen 28, die bei jedem Voxel 74 konvergieren, ist bei jedem Voxel 74:This truncated sinogram is used to determine an actual dose that the patient would receive using the individual beam weights of the truncated sinogram. The actual dose D'(r, θ) from all individual beams 28 converging at each voxel 74, defined in standard polar coordinates as shown in Figure 6, is at each voxel 74:
D'(r, θ) = dφf[r sin (φ - θ), φ]. (9)D'(r, θ) = dφf[r sin (φ - θ), φ]. (9)
Wie durch den Prozeßblock 118 angegeben, ist Gleichung (9) einfach die Superposition der Dosis, die jeder Einzelstrahl 28, der ein gegebenes Voxel 74 schneidet, zum Summieren ihrer Beiträge beiträgt.As indicated by process block 118, equation (9) is simply the superposition of the dose contributed by each individual ray 28 intersecting a given voxel 74 and summing their contributions.
Nach dem Abschneiden der Einzelstrahlgewichte des Prozeßblocks 116 unterscheidet sich die durch den Prozeßblock 118 erzeugte Ist-Dosis D' typischerweise von der ursprünglich im Prozeßblock 90 eingegebenen Soll-Dosis D. Dementsprechend wird im Prozeßblock 120 ein Fehler-Dosis kennfeld ΔD berechnet, in dem bei jedem Voxel 74 der Wert der Soll-Dosis D von der durch den Prozeßblock 118 bestimmten Ist-Dosis D' subtrahiert wird. Da negativ gewichtete Einzelstrahlen abgeschnitten wurden, ist zu erwarten, daß die Ist-Dosis D' gewöhnlich höher als die Soll-Dosis D ist.After cutting off the individual beam weights of process block 116, the actual dose D' generated by process block 118 typically differs from the target dose D originally entered in process block 90. Accordingly, an error dose characteristic field ΔD is calculated by subtracting the value of the target dose D from the actual dose D' determined by the process block 118 for each voxel 74. Since negatively weighted individual beams were cut off, it is to be expected that the actual dose D' is usually higher than the target dose D.
Normalerweise wird das Dosiskennfeld bei jeder Iteration aktualisiert. Wenn weitere Iterationen keine Änderungen in der resultierenden Ist-Dosis zeigen, wird davon ausgegangen, daß das Verfahren konvergiert hat. Dies ist eine Anzeige, daß die bestmögliche Strahlverteilung gefunden wurde.Normally, the dose map is updated at each iteration. If further iterations show no changes in the resulting actual dose, the procedure is considered to have converged. This is an indication that the best possible beam distribution has been found.
Typischerweise ist das Fehler-Dosiskennfeld ΔD bei der Anfangsiteration nicht akzeptabel, wobei das Programm zu dem Prozeßblock 124 verzweigt und das in den Ladungsverteilungsrechner des Prozeßblocks 92 eingegebene Dosiskennfeld Dm modifiziert wird. In der einfachsten Ausführung ist das als das "momentane Dosiskennfeld" bezeichnete neue Dosiskennfeld gleich dem mit einer Konstanten r multiplizierten Fehler-Dosiskennfeld, (r · ΔD), das von dem an den Prozeßblock 92 gelieferten letzten Dosiskennfeld subtrahiert wird. Für die erste Iteration wird das Fehler-Dosiskennfeld ΔD von dem Soll-Dosiskennfeld D subtrahiert, während das Soll-Dosiskennfeld Dm für weitere Iterationen erhalten wird. Das modifizierte Soll- Dosiskennfeld wird als das momentane Dosiskennfeld 66' bezeichnet und wird, wie durch eine Schleife des Programms vom Prozeßblock 124 zurück zum Prozeßblock 92 angegeben ist, für die Berechnung einer neuen Ladungsverteilung erneut für den Prozeßblock 92 bereitgestellt.Typically, the error dose map ΔD is not acceptable in the initial iteration, where the program branches to process block 124 and modifies the dose map Dm entered into the charge distribution calculator of process block 92. In the simplest implementation, the new dose map, referred to as the "current dose map", is equal to the error dose map, (r · ΔD), multiplied by a constant r, which is subtracted from the last dose map provided to process block 92. For the first iteration, the error dose map ΔD is subtracted from the target dose map D, while the target dose map Dm is obtained for subsequent iterations. The modified target dose map is referred to as the current dose map 66' and is provided again to process block 92 for the calculation of a new charge distribution, as indicated by a loop of the program from process block 124 back to process block 92.
Für alle Iterationen nach der ersten Iteration wird das momentane Dosiskennfeld 66' (Dm) durch das Fehler-Dosiskennfeld ΔD korrigiert.For all iterations after the first iteration, the instantaneous dose map 66' (Dm) is corrected by the error dose map ΔD.
Die Erfinder sind der Auffassung, daß diese Einstellung des momentanen Dosiskennfeldes (Dm) eine Iterationslösung schafft, die rasch gegen das beste Behandlungssinogramm konvergiert.The inventors believe that this adjustment of the instantaneous dose map (Dm) creates an iterative solution that rapidly converges to the best treatment sinogram.
In einer Computersimulation wurde ein Gitter von neun Tumor-Zielvoxeln mit -1 ≤ x ≤ 1 und -1 ≤ y ≤ 1 gebildet. Ein zu meidendes Organ-Voxel besaß die Koordinaten x = 3, y = 0. Die Strahlen fielen mit den θ-Werten n/2, 7/12π, 11/12π ein; aus jedem θ-Wert gingen sieben Einzelstrahlen hervor, wobei jeder eine Winkelbreite von 0,174 Radiant (etwa 10º) besitzt. Das beschriebene Iterationsverfahren konvergierte in 10 Iterationen, um den bestmöglichen Satz von Strahlgewichten zu liefern. Die Lösung liefert eine Gleichförmigkeit der Dosis in dem Tumorziel bis auf ±2%, wobei an das Organ nur eine Maximaldosis von 6% geliefert wird.In a computer simulation, a grid of nine tumor target voxels with -1 ≤ x ≤ 1 and -1 ≤ y ≤ 1 was formed. An organ voxel to be avoided had coordinates x = 3, y = 0. The rays were incident with θ values n/2, 7/12π, 11/12π; from each θ value, seven individual rays emerged, each with an angular width of 0.174 radians (about 10º). The described iteration procedure converged in 10 iterations to provide the best possible set of beam weights. The solution provides a dose uniformity in the tumor target to within ±2%, with only a maximum dose of 6% delivered to the organ.
Die obige Beschreibung betrifft eine zweckmäßige Ausführung der vorliegenden Erfindung. Für den auf dem Gebiet praktisch Tätigen ist offensichtlich, daß viele Modifikationen vorgenommen werden können. Zum Beispiel muß die Dosis in irgendeiner gegebenen Zone nicht gleichförmig sein, sondern kann gemäß den Angaben der Forschung für die optimale Dosisverteilung in einem Tumor verändert werden. Offensichtlich ist das Verfahren zur Planung der Strahlentherapie nicht auf eine bestimmte Strahlungsquelle beschränkt, sondern kann mit irgendeiner Strahlungsquelle verwendet werden, die in getrennte Bestrahlungs-Einzelstrahlen zerlegt werden kann.The above description relates to a practical embodiment of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that many modifications can be made. For example, the dose in any given zone need not be uniform, but can be varied as research indicates for the optimal dose distribution in a tumor. Obviously, the method of planning radiotherapy is not limited to a particular radiation source, but can be used with any radiation source that can be broken down into separate beams of radiation.
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